真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:表面燒氫凈化

2019-12-20 admin 未知

  采用燒氫處理工藝可以還原去除大多數(shù)的金屬氧化物(Mg、Al、Si等的氧化物除外)。一般,燒濕氫(露點(diǎn)>-10℃)有助于金屬脫碳和去除表面有機(jī)物。在濕氫的氧化氣氛中,碳雜質(zhì)以CO、CO2的形式被除掉。

  下圖6給出了相同尺寸的可伐合金、Ni與不銹鋼試樣的CO出氣率與燒濕氫時(shí)間的關(guān)系。燒濕氫半小時(shí)后,可伐的CO出氣率降低45%以上,Ni降低約32%。只有不銹鋼例外,盡管它含碳量較高,但燒濕氫并不能減小不銹鋼的CO出氣率,這說明不銹鋼的出氣機(jī)制與其他材料不同。

表面燒氫凈化

圖6 可伐、Ni與不銹鋼在真空中800℃時(shí)CO出氣率與燒濕氫時(shí)間的關(guān)系

  燒濕氫會(huì)大大增加被處理材料的含氣量,尤其是氧。因此,含碳量少的材料應(yīng)當(dāng)燒干氫(露點(diǎn)低于-50℃)。燒干氫有利于氧化物的還原,露點(diǎn)越低、含氧量越少,效果越好。例如,蒙乃爾合金燒干氫(露點(diǎn)-65℃)后,在真空中的出氣量顯著降低,若在露點(diǎn)-35℃氫中處理,在真空中將放出大量CO與CO2。這是因?yàn)榻饘俦砻姹凰趸。在很多情況下,燒干氫的效果與真空除氣相當(dāng),但燒氫的成本低并且生產(chǎn)效率要高得多。關(guān)鍵在于要保證燒氫爐內(nèi)氫氣的純凈。

  在燒氫工藝操作中,應(yīng)采取以下措施來防止外界氣氛及燒氫爐內(nèi)脫附水氣對(duì)爐內(nèi)氣氛的污染:

  (1)盡量減少盛放工件的托盤的面積(例如做成網(wǎng)籃狀),工件最好采用分開懸掛方式,這樣便于氫氣流沖洗,工件周圍的水汽濃度也不會(huì)突然增大。

  (2)對(duì)處理的工件采取分步加熱法。先將盛工件的托盤在燒氫爐的低溫區(qū)(300℃左右)維持一定時(shí)間,這時(shí)零件吸附的水汽等很容易被H2“洗凈”,而且又不會(huì)氧化。Ni、Cu、可伐等材料用此法燒氫后的放氣量要比通常的一步加熱法(從冷區(qū)直接推入熱區(qū))幾乎減少4/5。

  工件燒氫后的冷卻速度關(guān)系到燒氫處理后工件的含氫量。氫溶解度隨溫度升高而增大的金屬,如 Ni、Fe、Cu等(在 800℃、1個(gè)大氣壓的H2中,100克Ni可溶解7.75cm3的H2),燒氫后若冷卻過快,將有大量的H2被“凍結(jié)”在工件體內(nèi)。例如,1100℃時(shí)H2在Fe中的溶解度是20℃時(shí)的一萬(wàn)倍,若冷卻過快,H2來不及放出,F(xiàn)e中H2的濃度將遠(yuǎn)大于正常平衡濃度。

  金屬材料燒氫時(shí),應(yīng)注意以下問題:

  (1)Ta、Ti、Zr、V等金屬高溫時(shí)能與H2形成脆性化合物,故不能燒氫。含Mg、Al、Cr、Ti等活性雜質(zhì)的金屬,只能燒干氫(露點(diǎn)小于-60℃,氧含量(體積)小于0.005%),否則表面會(huì)生成這些雜質(zhì)的穩(wěn)定氧化物,以后在真空中受電子轟擊時(shí)會(huì)分解并放出H2。

  (2)溶于金屬中的H2并不能置換出金屬內(nèi)部的任何氣體。卻可能使金屬產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。這是因?yàn)槿芙鈿湓诮饘袤w內(nèi)的分布不均勻,主要集中于由晶格的各種缺陷引起的內(nèi)應(yīng)力較大的區(qū)域,從而導(dǎo)致應(yīng)力進(jìn)一步增大。H2又能與金屬中的氧化物、碳和碳化物作用,生成體積大的水和甲烷分子,使晶格發(fā)生畸變。當(dāng)這種內(nèi)應(yīng)力超過晶格強(qiáng)度時(shí),可能產(chǎn)生變形或微小裂痕,裂痕匯集成連續(xù)裂紋后會(huì)引起慢漏。這種應(yīng)力對(duì)管殼及焊接部位產(chǎn)生的危害最大。

  (3)氫的還原作用。H2特別是原子氫的還原作用很強(qiáng),在較低溫度下便能還原許多金屬氧化物。因此,當(dāng)不同金屬同時(shí)在H2中加熱時(shí),H2就會(huì)從與它親和力小的金屬跑向與它親合力大的金屬,例如Cu和Mo在一起燒氫時(shí),Cu的氧化物容易還原,導(dǎo)致燒氫爐內(nèi)水汽增加使Mo氧化。而氧的遷移速率在H2中最高,在惰性氣體中最低。氫也能使碳從碳濃度高的金屬(碳鋼、碳化的零件等)遷往碳濃度低的金屬(Mo、W等),造成零件發(fā)脆或表面性質(zhì)改變。

  (4)陰極部件燒氫有助于減輕活性氣體對(duì)陰極的危害甚至起激活作用。但是這只對(duì)普通氧化物陰極及LaB6陰極有效,對(duì)其它陰極并無(wú)明顯作用甚至有害(例如Th-W陰極等)。

  一般情況下,工件燒氫的溫度采用材料的退火溫度,這樣可以在保證工件具有良好真空表面性能的同時(shí),消除掉加工過程中造成的內(nèi)應(yīng)力。

  常用材料的燒氫和真空退火規(guī)范見表2。表中所列的干氫,是指露點(diǎn)低于-50℃,水汽分壓力小于10-1Pa的氫氣,適用于含碳量少,需要去除表面氧化物而不增加含氧量的材料。對(duì)于支架和彈簧等預(yù)應(yīng)力零件,其烘烤溫度應(yīng)低于退火溫度。鋁零件因熔點(diǎn)較低,其烘烤溫度一般不超過500℃。對(duì)于厚壁或直徑大的工件,則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)退火時(shí)間。

表2 常用材料的燒氫及退火規(guī)范

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